HALAMAN JUDUL - Rancang Bangun Turbin Arus Laut Sumbu Vertikal Straight Blade Cascade Untuk Mengetahui Pengaruh Variasi Jumlah Blade Terhadap Efisiensi Turbin - ITS Repository

  .

HALAMAN JUDUL TUGAS AKHIR TF 141581 RANCANG BANGUN TURBIN ARUS LAUT

  

SUMBU VERTIKAL ST RAIGHT BLADE CASCADE

UNTUK MENGETAHUI PENGARUH VARIASI

JUMLAH BLADE TERHADAP EFISIENSI TURBIN

SENO WIDYA MANGGALA

  NRP. 2411 100 117 Dosen Pembimbing Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T. Ir. Roekmono, M.T.

  Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2016

  FINAL PROJECT TF 141581

  

DESIGN OF V ERT ICAL AXIS ST RAIGHT BLADE

CASCADE OCEAN CURRENT S T URBINE T O UNDERST AND T HE EFFECT OF BLADE

  

V ARIAT ION T OWARD T URBINE’ S EFFICIENCY

  SENO WIDYA MANGGALA NRP. 2411 100 117 Supervisor Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T. Ir. Roekmono, M.T.

  Department of Engineering Physics Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2016

RANCANG BANGUN TURBIN ARUS LAUT SUMBU

  BLADE TERHADAP EFISIENSI TURBIN LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR Oleh: SENO WIDYA MANGGALA NRP: 2411 100 117 Surabaya, 21 Januari 2016 Mengetahui/Menyetujui

  

Pembimbing I, Pembimbing II,

Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T. Ir. Roekmono, M.T.

  

NIPN. 19761223 200501 1 001 NIPN. 19580908 198601 1 001

Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS Agus Muhamad Hatta, ST, MSi, Ph.D NIP: 19780902 200312 1 002

  RANCANG BANGUN TURBIN ARUS LAUT SUMBU

  VERTIKAL STRAIGHT BLADE CASCADE UNTUK MENGETAHUI PENGARUH VARIASI JUMLAH BLADE TERHADAP EFISIENSI TURBIN

TUGAS AKHIR

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada

  Bidang Studi Rekayasa Energi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Fisika

  Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

  Oleh :

  

SENO WIDYA MANGGALA

  NRP. 2411 100 117 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T. ....... (Pembimbing I) 2. Ir. Roekmono, M.T.

  ...... (Pembimbing II) 3. Dr. Ir.Purwadi Agus Darwito, MSc ...... (Penguji I) 4. Ir. Matradji, M.Sc

  ...... (Penguji II) 5. Herry Sufyan Hadi, S.T.,M.T.

  ...... (Penguji III)

  

SURABAYA

JANUARI 2016

RANCANG BANGUN TURBIN ARUS LAUT SUMBU

VERTIKAL STRAIGHT BLADE CASCADE UNTUK MENGETAHUI PENGARUH VARIASI JUMLAH

  Nama : Seno Widya Manggala NRP : 2411100117 Jurusan : Teknik Fisika, FTI - ITS Pembimbing I : Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T. Pembimbing II : Ir. Roekmono, M.T.

  ABSTRAK

Abstrak— Telah dilakukan rancang bangun dan eksperimen

  tentang turbin sumbu vertikal dengan menggunakan perpaduan mekanisme fixed-pitch dan variabel passive-pitch yang disusun secara cascade untuk meningkatkan efisiensi turbin. Eksperimen ini dilakukan di Umbulan, Pasuruan, Jawa Timur. Tempat ini dipilih karena dapat merepresentasikan kecepatan aliran arus laut. Variasi kecepatan yang digunakan untuk eksperimen ini adalah 1.1 m/s, 1.2 m/s, 1.3 m/s dengan menggunakan variasi 3 jumlah blade, 6 jumlah blade, dan 9 jumlah blade. Hasil yang didapatkan dari eksperimen tersebut adalah nilai pengukuran RPM dan Torsi. Nilai rata – rata torsi maksimum ada di kecepatan 1.3 m/s pada variasi 9 blade dengan nilai torsi 31.21 Nm. Nilai RPM maksimum ada di kecepatan 1.3 m/s pada variasi 3 blade dengan nilai 68.4 RPM. Nilai terendah pengukuran RPM terletak di variasi 9

  

blade dengan kecepatan 1.1 m/s yaitu 57.4 RPM, sedangkan

  nilai torsi terendah terdapat di kecepatan aliran 1.1 m/s dengan variasi 3 blade dengan nilai torsi 16.56 Nm. Dari data hasil pengukuran tersebut dapat diketahui bahwa semakin meningkatnya kecepatan aliran akan berdampak pada peningkatan nilai RPM dan Torsi. Sebaliknya semakin banyak

  

blade terpasang maka nilai RPM akan turun dan nilai Torsi akan meningkat. Efisiensi turbin paling tinggi terjadi di kecepatan aliran 1.1 m/s dengan variasi 9 blade yakni 42%, dimana mengalami peningkatan 8% dari penelitian sebelumnya.

  

Kata Kunci— Energi Terbarukan, Turbin Sumbu Vertikal,

Darrieus , Turbin Cascade, Efisiensi Turbin.

  

DESIGN OF VERTICAL AXIS STRAIGHT BLADE

CASCADE OCEAN CURRENTS TURBINE TO

UNDERSTAND THE EFFECT OF BLADE VARIATION

TOWARD TURBINE’S EFFICIENCY

  Nama : Seno Widya Manggala NRP : 2411100117 Department : Engineering Physics, FTI,ITS Lecture I

  : Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T.

  Lecture II : Ir. Roekmono, M.T.

  ABSTRACT

Abstract— Prototype and experiment of cascade blade

arrangement of fixed-pitch and passive variable pitch have

been completed to increasing turbine’s efficiency. The

experiment has been tested at Umbulan, Pasuruan, East Java.

This site has been chosen because the flow velocity could

represent the sea current velocity. The used flow velocity

were 1.1 m/s, 1.2 m/s, 1.3 m/s using variation of blade, there

were 3 blades, 6 blades, and 9 blades. The obtained results

are torque and RPM. The Maximum torque was 31.21 at 1.3

m/s with 9 blades. The Maximum RPM was 68.4 RPM at 1.3

m/s with 3 blades. The lowest measured RPM was 57.4 RPM

at 9 blades and 1.1 m/s, whereas the lowest torque was 16.56

Nm at 1.1 m/s with 3 blade. Based on the experiment result,

increasing value of flow velocity will rise the value of torque

and RPM. Otherwise, if it uses more blades, it will decrease

RPM and rise the torque. Turbine’s efficiency reached at 1.1

m/s flow velocity with 9 blade installed at 42 which increases

the efficiency 8% from the past research.

  

Key Word — Renewable Energy, Vertical axis Turbine,

Darrieus, Cascade turbine, Turbine eficiency

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya serta shalawat dan salam kepada Nabi Muhammad SAW sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Rancang

  Bangun Turbin Arus Laut Sumbu Vertikal Straight Blade

Cascade untuk Mengetahui Pengaruh Variasi Jumlah

Blade Terhadap Efisiensi Turbin”. Penulis telah banyak

  mendapatkan bantuan dari berbagai pihak dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.

  Agus Muhamad Hatta, ST, MSi, Ph.D, selaku Ketua Jurusan Teknik Fisika ITS dan bapak Andi Rahmadiansyah, S.T, M.T., selaku dosen wali penulis yang telah sabar memberikan petunjuk, bimbingan, serta ilmu yang sangat bermanfaat.

  2. Bapak Ir. Eko isdyanto dan Ibu Tjahyani, S.Pd selaku orang tua yang selalu memberi motivasi dalam pengerjaan Tugas akhir ini.

  3. Bapak Dr. Ridho Hantoro, ST, MT. dan bapak Ir.

  Roekmono, M.T. Selaku dosen pembimbing yang senantiasa memberikan motivasi, bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  4. Bapak Ir. Sarwono, MM., Selaku kepala Laboratorium Rekayasa Energi yang telah memberikan dukungan untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  5. Bapak dan Ibu dosen Teknik Fisika yang telah memberikan ilmu selama kuliah.

  6. Bapak Irfan yang telah membiayai pengambilan data Tugas Akhir.

  7. Bapak Anto, bapak Panji dan pihak PDAM yang telah mengizinkan untuk mengambil data.

  8. Bapak dosen dan Teman – teman teknik fisika dan sistem perkapalan yang ikut dalam membantu pengambilan data Tugas Akhir di umbulan Bapak Harsono, mas aank, Fahmi Sudra, Zain, Abdi , mas Iwang, Jamal, Okky, Tukul, Alan, Izef, Febryn, Arie Eko, dan Angga.

  9. Rekan Nadhifa, Wilujeng, Aulia P, lufi, dan yulia yang membantu memberi saran, dan pengaturan format penulisan buku tugas akhir.

  10. Teman-teman asisten Laboratorium Pengukuran Fisis Sanif, Heru, Maya, Ajeng, Fajar, vivi, dkk.

  11. Teman – teman Ex Aspay, dan Ex WPS Mupeng, Kencong, Bertus, Baul, Pong, dkk.

  12. Teman-teman 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, dan 2014 lainnya yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa penulisan laporan Tugas Akhir ini tidaklah sempurna. Oleh karena itu sangat diharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak sehingga mencapai sesuatu yang lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat menambah wawasan yang bermanfaat bagi pembacanya.

  Surabaya, 7 Januari 2016 Penulis

  

DAFTAR ISI

  6

  3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................... 19

  BAB III ................................................................................. 19 METODOLOGI PENELITIAN ............................................ 19

  2.7 Reynold Number ......................................................... 16

  16

  2.5 Mekanisme Pitch Turbin Vertical Axis Darrieus ..... 14 2.6 Turbine Solidity .......................................................

  2.4 Airfoil NACA 0018 .................................................. 13

  12

  2.2.2 Performansi dan Efisiensi Turbin Vertical Axis . 11 2.3 Aspect Ratio .............................................................

  2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Vertikal axis Darrieus ......... 8

  2.1.2. Pemanfaatan Energi Arus laut............................... 6 2.2 Turbin Hidrokinetik ...................................................

  HALAMAN JUDUL ............................................................... i LEMBAR PENGESAHAN .................................................... v ABSTRAK ............................................................................. ix

  5

  2.1 Energi arus laut .......................................................... 5 2.1.1. Daya Air ................................................................

  BAB II ..................................................................................... 5 LANDASAN TEORI .............................................................. 5

  1.4. Tujuan ........................................................................ 4

  1.3. Batasan Masalah ........................................................ 3

  1.2. Permasalahan ............................................................. 3

  1.1. Latar Belakang ........................................................... 1

  BAB I ...................................................................................... 1 PENDAHULUAN .................................................................. 1

  KATA PENGANTAR ......................................................... xiii DAFTAR ISI ......................................................................... xv DAFTAR GAMBAR .......................................................... xvii DAFTAR TABEL ................................................................ xix Daftar Simbol ....................................................................... xxi

  ABSTRACT ............................................................................. xi

Abstract .................................................................................. xi

  3.2 Lokasi Pengambilan Data ........................................ 21

  3.3 Geometri Turbin .......................................................

  23 3.4 Fabrikasi Turbin .......................................................

  25 3.5 Eksperimen ...............................................................

  26 BAB IV ................................................................................. 31 ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ........................... 31 4.1 Hasil Pengujian ........................................................

  31

  4.2 Pengaruh Variasi Kecepatan Aliran dan Jumlah Blade .................................................................................. 35

  4.2.1 Pengaruh Variasi Kecepatan aliran ..................... 35

  4.2.2 Pengaruh Variasi Jumlah Blade .......................... 37

  4.3 Performansi dan Efisiensi Turbin ............................. 38

  4.3.1 Daya Mekanik dan Performansi turbin ............... 38

  4.3.2 Karaterisik Variasi Jumlah Blade Terhadap Efisiensi Turbin ................................................... 42

  4.4 Profil Posisi Pergerakan blade ................................. 44

  4.5 Pola Torsi pada turbin Vertical Axis Cascade ......... 45 4.6 Pembahasan ..............................................................

  47 BAB V .................................................................................. 51 KESIMPULAN DAN SARAN ............................................. 51 5.1 Kesimpulan ..............................................................

  51 5.2 Saran.........................................................................

  51 DAFTAR PUSTAKA ............................................................. 1

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.12 Tachometer dan metode Pengambilan data. .. 30Gambar 3.8 Variasi Jumlah Blade : a)Variasi Turbin 3 blade,

  b)Variasi Turbin 6 blade dan c)Variasi Turbin 9 blade ........ 27  

Gambar 3.9 Jarak Antara Hydrofoil .................................... 28

   

Gambar 3.10 Turbin direndam di kanal .............................. 29

   

Gambar 3.11 Torsi Meter Dan metode Pengambilan Data. 29

   

   

Gambar 3.7 Tahap Akhir Fabrikasi Turbin ......................... 26Gambar 4.1 Perbandingan Rata-rata dari Hasil RPM untuk

  Setiap Variasi Jumlah Blade terhadap Variasi Kecepatan Aliran. .......................................... 34

Gambar 4.2 Perbandingan Rata-rata dari Hasil Pengukuran

  Torsi untuk Setiap Variasi Jumlah Blade terhadap Variasi Kecepatan Aliran. ............... 34  

Gambar 4.3 Kurva Daya Mekanik Turbin ........................... 40

   

Gambar 4.4 Koefisien Performansi terhadap TSR Turbin .. 41

   

Gambar 4.5 Kurva efisiensi turbin ...................................... 43

   

   

Gambar 2.1 Jenis – Jenis Turbin Hidrokinetik .............. 7Gambar 2.6 Mekanisme Pergerakan blade A)

   

Gambar 2.2 Prinsip Turbin Vertical Axis Darrieus[12] 9  Gambar 2.3 Gaya yang Berkerja Pada Turbin ............ 10

   

Gambar 2.4 Kurva Umum Efisiensi Turbin ................ 12

   

Gambar 2.5 Luasan permukaan karateristik ................ 14

   

  mekanisme fixed pitch B) mekanisme passive variable pitch............................................................................... 15  

Gambar 3.6 Proses Fabrikasi hydrofoil ............................... 26Gambar 3.1 Skema diagram alir penelitian Tugas Akhir .... 20Gambar 3.2 Lokasi Eksperimen .......................................... 22

   

Gambar 3.3 Alat ukur kecepatan aliran fluida ..................... 22

   

Gambar 3.4 Profil koordinat airfoil NACA 0018 (a) Tampak

  atas dan bawah; (b) Tampak tiga dimensi. ............................ 24  

Gambar 3.5 Prototype Turbin Straight Blade Vertical Axis

  Cascade ................................................................................. 25  

   

Gambar 4.6 Perubahan Hydrofoil disetiap Azimuth. .......... 44

   

Gambar 4.7 Pola Torsi pada Turbin dengan Variasi

  Kecepatan Aliran 1,1 m/s. ................................ 45  

Gambar 4.8 Pola Torsi pada Turbin dengan Variasi

  Kecepatan Aliran 1,2 m/s. ................................ 46  

Gambar 4.9 Pola Torsi pada Turbin dengan Variasi

  Kecepatan Aliran 1,3 m/s. ................................ 46  

Gambar 4.10 Kurva keseluruhan Turbin Cascade ............... 49

   

Gambar 4.11 Perbandingan Hasil pengukuran di kecepatan

  aliran yang sama .............................................. 50  

  

DAFTAR TABEL

  

Tabel 4. 6 Nilai bilangan reynold pada variasi 9 foil ........... 37

Tabel 4.11 Nilai Efisiensi Turbin ......................................... 42

   

Tabel 4.10 Nilai Cp dan TSR ............................................... 40

   

Tabel 4.9 Daya mekanik Turbin ........................................... 39

   

Tabel 4.8 Daya Air Di Umbulan .......................................... 39

   

Tabel 4.7 Nilai Solidity Tiap Variasi Jumlah Blade............. 37

   

   

Tabel 3.1 Hasil Pengukuran Kecepatan Aliran (m/s) ........... 23Tabel 4.5 Pengukuran Kecepatan Aliran Inlet dan outlet ..... 33

   

Tabel 4.4 Rata – rata hasil pengukuran torsi dan RPM ........ 33

   

Tabel 4.3 Hasil pengukuran torsi di kecepatan 1,3 m/s. ....... 32

   

Tabel 4.2 Hasil pengukuran torsi di kecepatan 1,2 m/s. ....... 32Tabel 4.1 Hasil pengukuran torsi di kecepatan 1,1 m/s. ....... 32

   

Tabel 3.2 Profil Airfoil NACA Simetris ............................. 23

   

   

DAFTAR SIMBOL

  Ek = Energi Kinetik (joule) m = Massa (kg) ₃ )

  ρ = Massa Jenis (kg/m ₃ V = Volume (m ) v = Kecepatan Aliran (m/s) S = Panjang arm (m) _turbin P = Daya mekanik Turbin (Watt) P air = Daya mekanik Air (Watt) ₂ A = Luas sapuan turbin (m )

  W = Kerja (joule) F = Gaya (N) t = waktu (s) r = radius turbin (m) ω = Kecepatan Sudut (rad/s) RPM = Revolition per minute TSR = Tip Speed Ratio q

  ∞ = Panjang dan luasan karakteristik L = Gaya lift (N) D = Gaya Drag (N) N = Gaya normal (N) σ = Turbine Solidity Z = Banyak jumlah foil d = Diameter (m) C = Panjang Chord (m) Re = Reynold number _–3

  Pa·s) μ = viskositas air (pada 15° C bernilai 1.1375×10 u ∞ = kecepatan Aliran inlet u w = kecepatan Aliran Outlet u r = kecepatan Aliran ditengah turbin w = kecepatan Aliran Relatif

  

Halaman Ini Sengaja dikosongkan

BAB I PENDAHULUAN

   

1.1. Latar Belakang

  Indonesia merupakan negara yang memilki potensi sumber daya alam yang sangat melimpah. Di Indonesia sangat banyak sekali sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai kebutuhan manusia khususnya dalam hal energi. Beberapa contoh sumber daya alam yang melimpah di Indonesia adalah minyak bumi, batu bara, emas dan yang lain-lain. Sumber daya yang sangat melimpah inilah yang menyebabkan masyarakat Indonesia sangat bergantung terhadap sumber daya tersebut, namun keberadaan sumber daya alam tersebut termasuk dalam sumber daya yang tidak dapat diperbarui karena proses pembuatannya yang sangat lama sehingga sumber daya tersebut lama kelamaan akan habis. Maka diperlukannya sumber energi alternatif atau sumber energi yang terbarukan untuk mengatasi sumber daya alam yang lama kelamaan akan habis ini.

  Pada tanggal 1 juni 2015 Menteri Energi Sumber Daya Mineral (ESDM), Sudirman Said meluncurkan Peringatan hari Nusantara ke-15 tahun 2015 di Pelabuhan Nelayan Nusantara Kejawanan, Cirebon, Jawa Bara[1]. Peringatan hari Nusantara adalah sebuah momentum yang tepat untuk mengubah mindset bangsa Indonesia, mengenai ruang hidup dan ruang juang dari yang lebih berorientasi kepada matra darat tetapi juga berorientasi kepada matra laut yang seimbang. Potensi sumber daya alam laut yang dimiliki Indonesia, terkandung potensi energi dan sumber daya mineral yang besar, termasuk didalamnya adalah minyak dan gas, serta energi baru terbarukan. “Dari berbagai potensi energi tersebut, salah satu yang dapat dikembangkan adalah energi baru terbarukan yang bersumber dari arus laut, pasang surut,

  2 gelombang, dan perbedaan temperature air laut”, jelas Sudirman[1].

  Sebagai salah satu energi terbarukan, turbin arus laut memiliki beberapa keuntungan dari energi terbarukan lainnya, diantaranya adalah ramah lingkungan, energi yang dibangkitkan membutuhkan alat konversi yang kecil, tidak bising, dan memiliki densitas yang besar[2]. Besarnya densitas ini akan berpengaruh pada gaya dorong yang dihasilkan oleh arus tersebut, sehingga nilai daya yang dihasilkan pun akan meningkat seiring meningkatnya gaya dorong tersebut. Beberapa keuntungan ini dapat ditingkatkan lagi dengan modifikasi pada bentuk maupun hydrofoil turbin.

  Pada penelitian-penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Khalid, Syed Shah[3] yang telah melakukan kajian dengan membandingkan kinerja turbin yang menggunakan fixed variable-pitch dan passive variable-pitch. Penelitian tersebut dapat digunakan dalam penentuan hydrofoil yang digunakan pada pemasangan cascade. Yang kedua Hantoro[4] telah melakukan investigasi tentang eksperimen pada passive

  variable-pitch vertikal aksis turbin arus laut menggunakan 3- staright bladed NACA 0018. Kemudian pada tahun 2010

  Lago, LI[5] telah meneliti tentang sistem pembangkit turbin air secara cascade. Beberapa efek yang ditimbulkan pada turbin arus laut dengan model-model yang dibuat oleh peneliti dijelaskan oleh Khan[6]. Kemudian Calcagno[7] telah mempresentasikan hasil dari penelitiannya tentang eksperimen dan pendekatan secara matematis untuk mengembangkan sebuah prototype vertikal aksis turbin arus laut dan kobold telah diaplikasikan pertama kali menggunakan 3-straight NACA 0015. Kemudian yang terakhir Mecha Garynda[8] dengan mengembangkan pengaplikasian turbin air hingga pada analisa dan prototype mengenai mekanisme

  passive-pitch dengan flapping wing pada turbin vertikal aksis tipe darrieus menggunakan 3-straight NACA 0018.

  3

  Pada tugas akhir ini, dilakukan analisis sebuah turbin arus laut yang memanfaatkan mekanisme flapping wing sebagai mekanisme passive-pitch yang dipasang secara

  

cascade yang akan dijadikan terobosan model terbaru dari

  perkembangan vertikal aksis turbin arus laut tipe darrieus menggunakan airfoil NACA 0018. Penelitian ini akan difokuskan pada pembelajaran dan analisis pada kineja turbin secara cascade. Pembelajaran dan analisis dilakukan dengan cara studi experimental untuk menganalisis fenomena fisis yang terjadi pada vertikal aksis turbin arus laut tersebut.

  1.2. Permasalahan

  Dari latar belakang diatas, maka permasalahan yang dapat diambil yaitu : 1)

  Bagaimana mendesain dan merancang turbin vertical aksis straight blade dengan mekanisme passive-pitch dan

  fix-pitch secara cascade menggunakan airfoil NACA 0018.

  2) Apa pengaruh variasi aliran air dan jumlah blade terhadap efisiensi turbin .

  1.3. Batasan Masalah

  Adapun batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1)

  Pada tugas akhir ini hanya membahas tentang pengaruh pemasangan hydrofoil secara cascade pada vertikal aksis turbin arus laut tipe darrieus. 2)

  Pada pemodelan passive-pitch pada vertikal aksis turbin arus sungai tipe darrieus ini hanya menggunakan airfoil NACA 0018. 3)

  Jenis sungai yang digunakan untuk pengambilan data adalah jenis aliran kanal terbuka.

  4 4)

  Jumlah blade yang digunakan sebanyak 2 buah dengan dua variabel sudut pitch yaitu 20 derajat. dan 1 buah dengan fix-pitch.

1.4. Tujuan

  Tujuan dilakukannya penelitian tugas akhir ini ada dua macam, yaitu : 1)

  Mendapatkan desain dan merancang turbin vertical aksis

  straight blade dengan mekanisme passive-pitch dan fix-

pitch secara cascade menggunakan airfoil NACA 0018.

  2) Mengetahui pengaruh variasi aliran air dan jumlah blade terhadap efisiensi turbin.

BAB II LANDASAN TEORI Sumber daya alam yang terdapat di bumi Indonesia lama

  kelamaan akan habis seiring dengan jalannya perubahan alam yang terjadi. Penggunaan energi alternatif seperti energi terbarukan merupakan salah satu solusi atau upaya untuk mengurangi masalah tersebut. Turbin adalah salah satu sumber energi terbarukan yang biasa digunakan untuk menghasilkan sebuah produk listrik. Turbin dapat dimanfaatkan untuk ekstraksi energi fluida dengan berbagai massa jenis contohnya antara lain angin, uap, dan air. Turbin air atau biasa disebut turbin hidrokinetik digunakan di pembangkit listrik tenaga air (PLTA) yang berada di sungai, bendungan, dan di laut. Turbin yang berada dilaut memanfaatkan aliran arus laut.

2.1 Energi arus laut

  Indonesia merupakan negara pesisir yang memiliki 13.466 pulau[9]. Beberapa pulau – pulau tersebut dihuni dan sudah dialiri listrik, sebagian lainnya masih belur teraliri listrik dikarenakan infrastruktur yang memadai. Dalam hal ini masyarakat pesisir yang belum mendapat aliran listrik dari pembangkit yang disediakan oleh PLN dapat memanfaatkan energi arus laut. Energi arus laut tercipta dari selat, yaitu perairan yang diapit oleh dua daratan. Sesuai hukum kontinuitas bila luas penampang yang dilewati lebih kecil maka aliran air akan lebih besar. Air yang melewati perairan bebas kecepatan alirannya akan lebih kecil dibanding air yang melewati daerah selat. Keuntungan geografis ini menjadikan wilayah Indonesia dengan potensi energi arus laut tinggi.

2.1.1. Daya Air

  Daya yang dihasilkan oleh aliran air dapat diperoleh dari beberapa faktor. Dari faktor – faktor yang ada maka dapat

  6 dibuat relasi untuk daya air dengan subtitusi antara persamaan energi kinetik dan persamaan massa jenis yang dijabarkan sebagai berikut:

  (2.1) (2.2)

  (2.3) (2.4)

  (2.5) Faktor pertama yang mempengaruhi daya yang diihasilkan air mengalir adalah kecepatan aliran (v), yang kedua adalah luas penampang (A), dan massa jenis air ( ₃ ρ) dimana massa jenis untuk air tawar adalah 1000 g/cm dan ₃ untuk air laut adalah 1030 g/cm .

2.1.2. Pemanfaatan Energi Arus laut

  Energi Arus laut sudah mulai dikembangkan oleh negara – negara kepulauan lainnya seperti inggris yang dimulai sejak tahun 1979, davis di kanada, dan Hilton di _[10] Australia . Ekstraksi energi arus laut dapat dilakukan dengan dua cara yakni dilakukan dengan mengambil titik pasang surut air laut atau memanfaatkan penambahan kecepatan yang disebabkan penyempitan aliran oleh dua pulau. Dengan adanya aliran ini maka dapat dilakukan ekstraksi dengan turbin vertical aksis untuk kecepatan aliran rendah dan turbin horizontal untuk kecepatan tinggi.

2.2 Turbin Hidrokinetik

  Teknologi turbin hidrokinetik sudah sangat populer digunakan untuk menghasilkan listrik yang biasa disebut Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Sistem pembangkit ini mempunyai cara kerja yang berbeda – beda tergantung dari kondisi dan tempat yang akan dimanfaatkan. Pada kasus ini

  7

  laut. Turbin arus laut merupakan salah satu teknologi yang dapat digunakan untuk mengekstrak potensi arus laut di Indonesia. Mekanisme turbin arus laut hampir sama seperti turbin angin, hanya berbeda pada fluida yang menggerakkannya saja. Dimana turbin angin memanfaatkan aliran fluida angin sedangkan turbin arus laut memanfaatkan pergerakan massa fluida air laut untuk memutar turbin agar dapat menghasilkan listrik. Turbin arus laut dapat menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan dengan turbin angin karena perbedaan massa jenis yang sangat besar antara fluida angin dengan fluida air laut. Secara umum Turbin hidrokinetik dibagi menjadi tiga jenis yakni Cross-

  Flow turbine, Horizontal Axis Turbine (HAT) dan Vertical Axis Turbine (VAT).

Gambar 2.1 Jenis – Jenis Turbin Hidrokinetik

  Masing-masing tipe yang disebutkan diatas masih dibagi kedalam model sudu/blade yang lebih spesifik. Untuk mendesign Turbin arus laut, turbin ini perlu diperhatikan tentang bentuk dan jumlah blade yang digunakan, bentuk dari

  

blade itu juga tergantung dari karakteristik aliran disuatu

  tempat, ketika sudah diketahui karakteristik angin ini baru kemudian dapat ditentukan bentuk sudu/blade mana yang

  8 Salah satu perbedaan model Darrieus dan Savonius lebih mudah digerakkan dan sederhana ketimbang model HAWT yang sama-sama digunakan sebagai generator. Jenis Savonius memilki daya putaran yang sangat rendah namun gaya dorong yang spontan akibat lengkungan bilahnya yang unik berfungsi menangkap angin. Sebab itulah kincir angin dengan model baling-baling Savonius tidak dapat berputar kencang bila kurang angin dan tidak baik diterapkan pada area yang tidak ada angin. Aplikasi Savonius banyak digunakan pada generator skala kecil seperti menyalakan pompa, dan selainnya. Jenis Turbin Darrieus memiliki Efisiensi dan performansi yang lebih tinggi, tetapi memiliki self-start yang buruk dan kurang tepat dilakukan di kecepatan aliran rendah.

2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Vertikal axis Darrieus

  Turbin vertical Axis Darrieus merupakan turbin jenis lift yang menggunakan blade untuk menghasilkan gaya angkat. Turbin jenis darrieus dapat mengubah torsi ketika blade bergerak relatif lebih cepat terhadap aliran yang dating dan _[11] beroperasi pada TSR sampai mendekati 4 . sehingga memiliki efisiensi yang lebih besar daripada turbin yang memanfaatkan gaya drag. Prinsip kerja turbin ini arah arus datang dari depan rotor baling-baling. Ketika pergerakan rotor lebih cepat menyamai dengan kecepatan angin yang tak terganggu yaitu rasio kecepatan blade dengan kecepatan angin bebas, TSR > 4. Gambar 2.2 menunjukan garis vektor percepatan dari bentuk airfoil baling-baling pada posisi angular yang berbeda-beda. pada turbin Darrieus akan berotasi dan terjadi

  Blade

  perubahan aliran relatif. Pada sudut serang yang kecil gaya angkat kecil yang dihasilkan blade akan memiliki komponen tangensial pada arah rotasi. Karena sudut serang yang berosilasi maka blade pada turbin tipe darrieus selalu menghasilkan gaya yang berfluktuasi, bahkan dalam kondisi yang ideal.

  9

Gambar 2.2 Prinsip Turbin Vertical Axis Darrieus[12]

  Aliran yang terjadi didalam ( u r ) dapat diketahui dengan mengetahui nilai kecepatan aliran inlet ( u ∞ ) dan

  u w ) dengan persamaan 2.6.

  kecepatan aliran outlet (

  (2.6) setelah diketahui nilai dari u r maka dapat dihitung nilai kecepatan aliran relatif yang menuju blade (w) dengan persamaan 2.7.

  (2.7) sin cos

  10 Besarnya torsi yang dapat dihasilkan oleh turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.8 Dimana adalah jari-jari turbin.

  ∗

  2.8 T F merupakan gaya tangensial yang berkerja tegak lurus

  T

  dengan lintasan rotasi. Gaya F ini menyebabkan torsi yang akan memutar turbin sehingga dapat menghasilkan energi mekanik. Sementara itu, gaya FN merupakan gaya normal yang dapat menyebabkan vibrasi pada turbin. Secara matematis, besarnya koefisien gaya tangensial dan gaya normal dituliskan pada persamaan 2.9 dan 2.10. sin cos

  2.9 . sin cos

  2.10 .

Gambar 2.3 Gaya yang Berkerja Pada Turbin

  11

2.2.2 Performansi dan Efisiensi Turbin Vertical Axis

  Berbagai variasi percobaan telah dilakukan untuk menaikan performa dan efisiensi turbin. Untuk mengetahui daya mekanik yang dihasilkan turbin maka diperlukan variabel tertentu yang perlu diukur secara langsung. Dari persamaan fisika dasar maka dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin adalah sebagai berikut :

  . (2.11) (2.12)

  Dengan subtitusi persamaan 2.6 dan 2.7 maka dihasilkan : . (2.13) . (2.14)

  (2.15) . . (2.16)

  Kecepatan sudut ( ω) dapat dikonversi dari nilai RPM yakni:

  (2.17) Berdasarkan hasil penurunan rumus diatas maka diperlukan nilai torsi terukur dan nilai RPM terukur. Setelah

  Didapat nilai daya mekanik dan daya air dari turbin maka didapatkan nilai efisiensi dari turbin yang merupakan hasil bagi antara daya mekanik turbin dan daya air. Sehingga koefisien daya (Cp) dapat dijabarkan sebagai berikut.

  (2.18) Dan persentase efisiensi turbin dapat diketahui dengan persamaan

  ∗ 100 (2.19) Beberapa kelebihan turbin vertical axis adalah kemampuan untuk beroperasi pada kecepatan aliran yang relative rendah (low TSR). Nilai Tip Speed Ratio (TSR) adalah perbandingan antara kecepatan tangensial di ujung rotor terhadap kecepatan fluida yang mengaliri turbin tersebut. Maka TSR dapat dijabarkan dengan persamaan berikut:

  12 (2.20)

  Setelah data perhitungan didapat maka efisiensi dan performansi turbin dapat diketahui trennya setelah dibuat grafik antara Cp dan TSR. Nilai efisiensi turbin darrieus menccapai titik tertinggi pada TSR 4.5 dengan efisiensi 45% dan akan sampai mendekati TSR 8 maka nilai efisiensi akan turun ke 10% seperti yang di tunjukan gambar 2.3.

Gambar 2.4 Kurva Umum Efisiensi Turbin

2.3 Aspect Ratio

  Aspect ratio memiliki pengaruh yang besar pada kinerja

  turbin, Dalam penelitian ini Aspect Ratio diterapkan pada penentuan ukuran blade sebuah turbin. Aspect ratio merupakan perbandingan antara panjang span atau tinggi

  blade dan panjang chord. Adapun persaaan aspect ratio yang

  digunakan pada penentuan blade adalah sebagai berikut: Aspect Ratio = (2.21)

  Sebuah Aspect Ratio yang tinggi menunjukan sayap yang panjang dan memliki luas sayap yang sempit, sedangkan

  Aspect Ratio yang rendah menunjukan sayap yang pendek

  13

2.4 Airfoil NACA 0018

  Airfoil adalah salah satu bentuk body aerodinamika

  sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bagian lainnya ketika melintasi atau dilintasi fluida yang mengalir. Pada turbin vertical axis darrieus airfoil adalah bentuk blade yang dapat menghasilkan gaya angkat (lift) atau efek aerodinamika ketika melawati suatu aliran.

  Dalam perkembangannya, terutama eksprimental aerodinamik, gaya-gaya maupun momen aerodinamik lebih banyak dinyatakan dalam koefisien tak berdimensi (dimension

  less coefficient ). Untuk itu dikenal lebih dahulu mengenai dynamic pressure dari free streem[13].

  (2.22) Disamping q , dikenal juga apa yang disebut panjang

  ∞

  dan luasan karakteristik (characteristic surface/characteristic

  length ). Beberapa koefisien dari gaya dan momen

  didefinisikan sebagai berikut :

  Lift coefficient :

  . (2.23)

  Drag coefficient :

  . (2.24) :

  Normal force coefficient

  . (2.25)

  Axial force coefficient :

  . (2.26)

  Momen coefficient :

  . (2.27) Contoh panjang dan luasan permukaan karakteristik:

  14

Gambar 2.5 Luasan permukaan karateristik

  NACA (National Advisory Committe for Aeronautics) merupakan standar dalam perancangan suatu airfoil. Perancangan airfoil pada dasarnya bersifat khusus dan dibuat menurut selera serta sesuai dengan kebutuhan dari pesawat yang akan dibuat. Akan tetapi NACA menggunakan bentuk airfoil yang disusun secara sistematis dan rasional. NACA mengidentifikasi bentuk airfoil dengan menggunakan sistem angka kunci seperti seri “ satu “, seri “ enam ”, seri “ empat angka “ dan seri “ lima angka “[13] gambar airfoil ada pada gambar 2.4..

  NACA 0018 merupakan seri “empat angka” yang artinya memiliki chamber dengan nilai 0 dan mempunyai maksimum

  

thickness 18%, koefisien lift maksimum 1.077 dan sudut

serang kritis 15°[13].

2.5 Mekanisme Pitch Turbin Vertical Axis Darrieus

  Untuk meningkatkan efisiensi dan kinerja turbin diperlukan berbagai macam percobaan yang dilakukan. Mekanisme pergerakan turbin merupakan salah satu cara untuk meningkatkan performa diantaranya yang sudah dilakukan oleh penelitian sebelumnya. Pitch yang digunakan pada turbin berkaitan dengan posisi foil terhadap pusat rotasi dan relative terhadap aliran. Tipe pitch dikelompokan menjadi dua, yaitu fixed pitch dan variable pitch

  15 Fixed pitch merupakan suatu cara yang digunakan

  pada sebuah turbin dimana pitch pada sebuah blade dikondisikan tidak dapat bergerak. Fixed pitch apabila diterapkan pada sebuah turbin memiliki beberapa sifat, yaitu dapat diterapkan dengan mudah dan perawatan yang tidak rumit. Namun pada jenis ini, turbin Akan memiliki sifat self start sangat berat. Hal ini dikarenakan bahwa pada fase awal terdapat turbin yang memiliki permukaan yang luas yang dapat menghilangkan gaya angkat yang disebut dengan stall yang dapat menurunkan efisiensi dan menimbulkan keadaan fatigue. Pada gambar 2.5 A ditunjukan mekanisme fixed pitch.

  (A) (B)

Gambar 2.6 Mekanisme Pergerakan foil A) mekanisme fixed

  pitch B) mekanisme passive variable pitch.

  Pada variable pitch, terdapat dua macam tipe yaitu pasif dan aktif. Pada tipe aktif pitch, benda atau foil telah dikontrol untuk dapat bergerak dengan sudut serang tertentu yang terbaik yang dapat menghasilkan gaya yang maksimal. Sedangkan pada passive pitch, yaitu dengan menerapkan jarak sudut dalam interfal tertentu sebagai daerah dimana benda atau airfoil dibebaskan untuk bergerak. Passive variable pitch merupakan cara dimana pitch diberikan sebuah derajat kebebasan sebagai tempat untuk benda atau foil bergerak. Pada tipe pasif tersebut, maka foil dapat bergerak bebas pada lingkaran rotasi turbin sesuai dengan arah aliran fluida yang mengalir. Dengan penerapan passive variable pitch, efisiensi turbin akan meningkat dan turbin dapat berputar lebih mudah.

  16 Pada gambar 2.5 B ditunjukan mekanisme variabel passive- pitch.

  2.6 Turbine Solidity  

  Bentuk dari turbin akan mempengaruhi performa dan efisiensinya. Pada turbin yang memanfaatkan gaya lift untuk berputar seperti contoh turbin darrieus, secara teori bernaulli gaya lift yang dihasilkan akan lebih besar ketika nilai sapuan turbin lebih banyak. Dengan itu untuk mendapatkan hasil yang optimal perlu diketahui nilai solidity dari turbin. Nilai Solidity pada turbin merupakan seberapa banyak luas sapuan blade[14]. Berikut merupakan persamaan untuk menghitung nilai solidity dari suatu turbin.

  (2.28) Pengaruh dari meningkatnya nilai solidity adalah meningkatnya nilai koefisien performansi pada kurva hturbin hidrodinamik. Nilai koefisien performa akan turun bilamana diameter dari turbin meningkat, dimana artinya ada pengaruh nilai dari Cp seiring dengan meningkatnya niai solidity.

  2.7 Reynold Number Reynold Number adalah rasio antara gaya inersia (vs

  ρ) terhadap gaya viskos ( μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen.

  (2.29) Semakin besar nilai Reynold number maka dapat ditarik kesimpulan semakin turbulen aliran tersebut, semakin kecil nilai reynold number maka semakin laminar aliran tersebut. Nilai w adalah nilai kecepatan aliran relatif terhadap

  17

  nilai kecepatan aliran relative dapat diperoleh dengan persamaan 2.30 dan 2.31. Nilai bilangan reynold dapat dihitung dengan persamaan 2.29.

  1 sin (2.30) 1 cos

  Dengan α adalah

  (2.31)

  18

  Halaman Ini Sengaja dikosongkan

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

  Berikut diagram alir penelitian Turbin Arus Laut Vertikal Aksis Straight Blade Cascade :

  20

Gambar 3.1 Skema diagram alir penelitian Tugas Akhir Pelaksanaan penelitian ini diawali dengan studi literatur.

  Studi literatur bertujuan untuk meningkatkan pengetahuan penulis pada topik penelitian ini. Literatur yang digunakan pada penelitian ini dirujuk jurnal, buku, laporan tugas akhir sebelumnya, dan website. Referensi yang digunakan mencakup materi turbin vertikal aksis arus laut, memahami tentang airfoil NACA 0018, pemahaman tentang aliran benda terendam, aliran kanal terbuka, pemahaman pengaruh turbin bila di cascade, pemahaman mekanisme passive-pitch pada turbin arus sungai, pemahaman tentang flow separation, aspek rasio pada perancangan turbin, pengambilan data mulai dari sungai yang akan digunakan tempat eksperimen, kecepatan

  21

  aliran sungai, dan lebar sungai serta kedalaman dan debit sungai.

  Pengambilan data diawali dengan survei lokasi. Penetuan lokasi eksperimen ini juga berguna untuk menentukan dimensi ukuran dan material dari turbinnya sendiri. Setelah itu dilakukan fabrikasi turbin, ukuran dari turbin sendiri menyesuaikan dari hasil pengukuran agar mendapat hasil yang optimal. Langkah selanjutnya adalah penentuan variabel bebas yaitu kombinasi antara kecepatan aliran dan jumlah

  

hydrofoil yang dipasang secara cascade. Setelah penentuan

  variabel bebas dilakukan verifikasi lagi agar tidak terjadi kesalahan pada pengambilan data. Pada pengambilan data dibutuhkan data RPM dan torsi pada setiap azimuth sebanyak 10 kali dan kemudian diambil data rata-rata nya. Kemudian didapatkan hasil ekseprimen dan hasil tersebut diolah dan dianalisa data nya. Setalah dianalisa datanya, data tersebut diambil kesimpulan bagaimana karakteristik dari turbin tersebut. Penyusunan laporan adalah tahap terakhir setalah analisa data dan kesimpulan diperoleh.

3.2 Lokasi Pengambilan Data

  Pengambilan data turbin arus sungai ini bertempat di daerah Umbulan, Pasuruan, Jawa Timur. Lokasi ini dibuat oleh pemerintah belanda pada tahun 1908 dalam rangka mengairi kota pasuruan, namun sekarang sudah menjadi hak milik pemerintah Indonesia yang dikelola oleh Perusahaan daerah air minum (PDAM) kota Pasuruan. Lokasi ini dipilih karena memiliki karateristik aliran yang sesuai untuk pengujian turbin arus laut, karena aliran yang cukup utuk merepresentasikan kondisi kecepatan arus laut. Pada sungai tersebut memiliki perbedaan kecepatan aliran pada setiap titik tertentu pada sungai tersebut. Metode pengambilan data kecepatan arus menggunakan alat pengukur arus seri CM-

  1BX merk Dentan seperti yang ditunjukan oleh gambar 3.3.

  22

  Gambar

3.2 Lokasi Eksperimen

Gambar 3.3 Alat ukur kecepatan aliran fluida

  Pengukuran arus sungai dilakukan dengan cara mengukur kecepatan aliran inlet dan outlet dengan jarak 50 cm dari muka turbin yang diambil sebanyak 10 data dan dirata-rata sehingga didapat kecepatan inlet dan outlet, berikut hasil rata- rata pengukuran yang diperoleh :

  23

3 Blade

  1.26

  5.85 7.02 8.2 9.76 15 5.34 6.68 8.02 9.35 11.14

  4.44 5.33 6.22 7.41 7.5 4.2 5.25 6.3 7.35 8.75 10 4.68

  1.25 1.89 2.37 2.84 3.31 3.95 2.5 2.62 3.27 3.92 4.58 5.45 5 3.56

  From Nose (m) NACA 0012 NACA 0015 NACA 0018 NACA 0021 NACA 0025

Tabel 3.2 Profil Airfoil NACA Simetris Distance

  0018. Berikut Profil Airfoil NACA Simetris :

  Setelah didapatkan hasil survei lokasi, maka didapatkan desain turbin yang optimal. Dari hasil pengukuran kanal aliran terbuka ini memiliki lebar 100cm. Dari acuan tersebut dibuat turbin dengan dimensi 80 cm ² dengan aspek rasio 1 : 8 dengan ukuran chord 10cm menggunakan profil hydrofoil NACA

  0.70

  1.34

  0.91

  1.31

  0.69 1.3 1.38